聚合物基復(fù)合材料界面

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1、?復(fù)合材料的界面?復(fù)合材料界面是指復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷等傳遞作用的微小區(qū)域。?所說(shuō)的界面并非是一個(gè)沒(méi)有厚度的理想幾何面。?復(fù)合材料的界面的好壞直接影響到復(fù)合材料的綜合性能。界面效應(yīng)?物理效應(yīng)–引起各組分之間相互浸潤(rùn)、擴(kuò)散、相溶性、界面吉布斯自由能、結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互穿的變化。?化學(xué)效應(yīng)–導(dǎo)致界面上的化學(xué)反應(yīng)，形成新的界面層結(jié)構(gòu)。?力學(xué)效應(yīng)–引起界面上的應(yīng)力分布。界面的形成?對(duì)于聚合物基復(fù)合材料，其界面的形成分為兩個(gè)階段–第一階段：基體與增強(qiáng)纖維的接觸和浸潤(rùn)–第

2、二階段：聚合物的固化階段?此過(guò)程中聚合物通過(guò)物理或化學(xué)的變化而固化，形成固定的界面層。?固化階段受第一階段影響，同時(shí)它也直接決定著所形成的界面層的結(jié)構(gòu)。?復(fù)合材料的制備過(guò)程中，使材料在界面上形成能量的最低結(jié)合，通常都存在一個(gè)液體的相互浸潤(rùn)–浸潤(rùn)：在固體表面，液體立即鋪展開(kāi)來(lái)，遮蓋固體的表面(浸潤(rùn)角θ<90°)–不浸潤(rùn)（浸潤(rùn)不好）：在固體表面，液滴仍團(tuán)聚成球狀（浸潤(rùn)角θ>90°）–完全浸潤(rùn)（θ=0°）–完全不浸潤(rùn)（θ=180°）界面的作用機(jī)理?浸潤(rùn)吸附理論?浸潤(rùn)吸附理論認(rèn)為，高聚物的黏結(jié)作用可分為兩給階段。

3、?第一階段：高聚物大分子借助宏觀布朗運(yùn)動(dòng)從溶液或熔融體中，移動(dòng)到被粘物表面；再通過(guò)微布朗運(yùn)動(dòng)，大分子鏈節(jié)逐漸向被粘體表面的極性基團(tuán)靠近?第二階段：發(fā)生吸附作用?當(dāng)被粘體與黏結(jié)劑分子間距<0.5nm時(shí)，范德華力開(kāi)始發(fā)生作用，從而形成偶極-偶極鍵、偶極-誘導(dǎo)偶極鍵、氫鍵等。?該理論在黏結(jié)要求到達(dá)后，進(jìn)一步改善性能，應(yīng)在于改進(jìn)基體對(duì)填充劑的浸潤(rùn)性，吸附理論的局限性在于：?實(shí)驗(yàn)表明，剝離高聚物薄膜時(shí)所需要能量達(dá)104~108erg/cm2，這大大超過(guò)了克服分子間力所需的能量，表明界面上不僅僅有分子間作用力。?黏結(jié)

4、功決定于黏結(jié)層剝離的速率，但分子間力的強(qiáng)弱不應(yīng)取決于兩黏結(jié)表面的分離速率，所以黏結(jié)不是僅由分子間力決定的。?該理論是黏結(jié)劑與被粘結(jié)體的極性基團(tuán)的相互作用為基礎(chǔ)的，因此它不能解釋為什么非極性聚合物間也會(huì)有黏結(jié)力。??化學(xué)鍵理論?1949年，Bjorksten和Lyaeger提出化學(xué)鍵理論?理論的主要觀點(diǎn)：偶聯(lián)劑分子應(yīng)至少含有兩種官能團(tuán)?第一種官能團(tuán)在理論上可與增強(qiáng)材料起化學(xué)反應(yīng)?第二種官能團(tuán)在理論上應(yīng)能參與樹(shù)脂的固化反應(yīng)，與樹(shù)脂分子鏈形成化學(xué)鍵結(jié)合?偶聯(lián)分子像“橋”一樣，將增強(qiáng)體材料與基體通過(guò)共價(jià)鍵牢固的連

5、接在一起?注：該理論對(duì)許多未使用偶聯(lián)劑或雖使用了偶聯(lián)劑但理論上根本不能形成化學(xué)鍵的復(fù)合體系，是無(wú)能為力的???擴(kuò)散理論?Barodkuu提出高聚物-高聚物黏結(jié)作用的擴(kuò)散理論，出發(fā)點(diǎn)：基于高聚物的最基本特征——大分子鏈結(jié)構(gòu)及柔順性?觀點(diǎn)：高聚物之間的黏結(jié)作用與其自黏作用一樣，也是高聚物分子鏈及鏈段的相互擴(kuò)散引起的，由此產(chǎn)生強(qiáng)大的黏結(jié)力?實(shí)際上是相互溶解，相互溶解能力的大小由溶解度參數(shù)決定，溶解度參數(shù)越接近，越容易互溶??電子靜電理論?Dezyagin提出靜電理論：黏結(jié)劑-被粘結(jié)體可以看成一個(gè)電容器，二者各為

6、一極板，相互接觸而使電容器充電，形成雙電層。?雙電層可以通過(guò)一個(gè)相的極性基團(tuán)在另一個(gè)相表面上定向吸附而產(chǎn)生，可由聚合物官能團(tuán)的電子穿過(guò)相表面而形成。?局限性：不能圓滿(mǎn)地解釋電介質(zhì)極性相近的聚合物也能牢固黏結(jié)的事實(shí)。???機(jī)械聯(lián)結(jié)理論?該理論認(rèn)為黏結(jié)劑與被粘體的黏結(jié)純粹基于機(jī)械作用，液態(tài)黏結(jié)劑滲入被粘體的空隙內(nèi)，在一定條件下黏結(jié)劑凝固或固化而被機(jī)械地“鑲嵌”在空隙中，便產(chǎn)生如螺栓、釘子、鉤子那樣的機(jī)械結(jié)合力。?機(jī)械結(jié)合力主要取決于材料的幾何因素?事實(shí)上，機(jī)械理論是與其他黏結(jié)理論協(xié)同作用的的理論，沒(méi)有一個(gè)黏結(jié)

7、系統(tǒng)是只由機(jī)械作用而形成的。??變形層理論?如果纖維與基體的熱膨脹系數(shù)相差較大，固化成型后在界面會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，將損傷界面和影響復(fù)合材料性能；另在載荷作用下，界面上會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，若界面化學(xué)鍵破壞，產(chǎn)生微裂紋，同樣也要導(dǎo)致復(fù)合材料性能變差。增強(qiáng)纖維表面處理后，在界面上形成一層塑性層，可以松弛并減少界面應(yīng)力。——變形層理論?在這一理論的基礎(chǔ)上又有經(jīng)過(guò)修正的優(yōu)先吸附理論和柔性理論：認(rèn)為偶聯(lián)劑會(huì)導(dǎo)致生成不同厚度的柔性基體界面層，而柔性層厚度與偶聯(lián)劑本身在界面區(qū)的數(shù)量無(wú)關(guān)。此理論對(duì)聚合物基的石墨碳纖維復(fù)合材料較為

8、實(shí)用。??優(yōu)先吸附理論?樹(shù)脂膠液中，各組分在玻璃纖維上是吸附能力各有不同，有先有后，纖維表面優(yōu)先吸附基體體系中的助劑。?胺類(lèi)固化環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，纖維表面優(yōu)先吸附胺，使界面層基體內(nèi)分布為一梯度，最后導(dǎo)致界面成結(jié)構(gòu)性能也具有梯度化，利于消除應(yīng)力，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。?對(duì)黏合現(xiàn)象了解仍很膚淺，尚未抓住本質(zhì)，應(yīng)對(duì)各理論進(jìn)行綜合分析。?